專利名稱：高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝與裝備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及快速模具的制造方法與工藝裝備，特別涉及一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝與裝備。
背景技術(shù)：
金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)是一種基于“復(fù)制”的制模技術(shù)，它以一個(gè)實(shí)物模型 (或稱為原型)作為母模，以電弧為熱源，通過高速氣流將熔融狀態(tài)的金屬材料霧化，并使其噴射、沉積在母模表面上，形成一定厚度的致密金屬型殼，即模具型殼。模具型殼精確拷貝了原型的形狀，獲得了所需的模具型腔，在完成補(bǔ)強(qiáng)、脫模、拋光等后處理工藝后，即可完成模具的快速制造。電弧噴涂模具制造完成后一般不再需要另外的機(jī)械加工，就可以直接用于成形制造。根據(jù)實(shí)際情況與需要也可以進(jìn)行少切削量的數(shù)控精加工，因此，電弧噴涂制模技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種“近凈成形制模技術(shù)”。金屬噴涂模具以母模為標(biāo)準(zhǔn)，模具型腔尺寸、幾何精度完全取決于母模，型腔表面及其精細(xì)花紋一次同時(shí)形成，故制模速度快，制造周期短，成本低，同時(shí)擁有較長的模具壽命，制造周期約為傳統(tǒng)數(shù)控加工的一半，制造費(fèi)用可以節(jié)省至少25%以上，成為新產(chǎn)品開發(fā)及小批量生產(chǎn)的重要途徑。模具表面光潔度好，工藝簡單，設(shè)備要求低，比較適合于注射成型模、壓鑄模、板料沖壓模的快速制造，在表面形狀復(fù)雜及具有精細(xì)花紋的各種聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU發(fā)泡及各類注射成型模具中，花紋復(fù)制的特征細(xì)節(jié)甚至可以達(dá)至Ij 5 μ m0目前該快速模具制造技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、家電、家具、制鞋、美術(shù)工藝品等行業(yè)。在美國及中國東南沿海，幾乎所有的聚氨酯鞋底制造商在其自動(dòng)成型生產(chǎn)設(shè)備上都采用了電弧噴涂模具進(jìn)行生產(chǎn)。在汽車制造中，可以用來生產(chǎn)駕駛盤、汽車儀表盤、 坐墊、頭部靠墊、阻流板、汽車內(nèi)飾頂蓬等。近年來，電弧噴涂制模技術(shù)已經(jīng)開始用于制造汽車覆蓋件沖壓模具，噴涂材料不同，噴涂模具的強(qiáng)度、硬度、精度和壽命也不盡相同，因而應(yīng)用范圍也存在差異，有的適合用于汽車樣車的試制，有的甚至可以在生產(chǎn)線上替代傳統(tǒng)的鋼模具進(jìn)行生產(chǎn)。在國內(nèi)，噴涂制模的材料主要是中低熔點(diǎn)金屬，西安交通大學(xué)和煙臺(tái)機(jī)械工藝研究所為國內(nèi)最早的研發(fā)單位，西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所，自90年代以來，對表面成型制模技術(shù)、低熔點(diǎn)合金澆鑄成型制模技術(shù)以及模具樹脂制模技術(shù)等快速制模工藝進(jìn)行了長期的研究和實(shí)踐，并在金屬電弧噴涂成型快速制模技術(shù)上擁有發(fā)明專利 (ZL200810232335. 0 ；ZL200810232334. 6)。在長安汽車、洛陽一拖、上海中順、柳州微汽等企業(yè)應(yīng)用。經(jīng)試制檢驗(yàn)，合格的快速模具的3D數(shù)據(jù)用于制造大批量生產(chǎn)用鋼模具，可避免在鋼模具的設(shè)計(jì)和制作上的反復(fù)，保證鋼模具一次加工成功。發(fā)明專利“一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂快速制模方法(專利號(hào)為ZL200810232335. 0) ”只是介紹了根據(jù)產(chǎn)品的形狀和尺寸確定母?；w的形狀和尺寸，以耐高溫陶瓷原料制作無焙燒陶瓷母?；w，至于耐高溫陶瓷原料的配方、陶瓷型母模制作的工藝未作詳細(xì)的介紹和說明；發(fā)明專利“一種由于電弧噴涂母模具體的快速制備方法(專利號(hào)為ZL200810232334. 6) ”公開了一種用于電弧噴涂母?；w的快速制備方法。該母?；w屬于一種菱鎂復(fù)合材料，含有輕燒氧化鎂41. 2 57. 7 %，工業(yè)氯化鎂15. 9 36. 1%，短切碳纖維< 2. 0%，其余為水。這個(gè)噴涂母?；w材料配方制作的母模滿足不了高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂的高溫耐熱性能和機(jī)械性能的需要。對于鋅、鋅鋁合金等中低熔點(diǎn)金屬噴涂制模而言，目前主要采用半水石膏材料制作毛坯，干燥后經(jīng)數(shù)控加工得到噴涂用母模。石膏成本低，易切削，但純石膏材料制作的母模表面噴涂工藝性差，在未經(jīng)改性的石膏表面噴涂，容易出現(xiàn)涂層沉積困難，涂層剝落等現(xiàn)象。此外，半水石膏水化反應(yīng)的理論需水量僅為其重量的18.6%，在使用中為了使?jié){體具有足夠的流動(dòng)性，通常的加水量遠(yuǎn)大于理論需水量，β型石膏水固比達(dá)60% 80%，α型石膏水固比為35% 45%，對于大型汽車覆蓋件模具而言，石膏毛坯濕重達(dá)數(shù)噸，含水量達(dá)數(shù)百公斤，其干燥速度和成本將直接影響噴涂模具的制作周期和成本。利用中低熔點(diǎn)合金噴涂制模，金屬熔點(diǎn)相對較低，例如，Zn熔點(diǎn)為419°C，而Al為 658°C，對母?；w的熱輸入小，母模表面溫升小、變形小，如有些材料所導(dǎo)致的母模表面溫升小于70°C。因此，母模材料可以有多種選擇，木材、樹脂、石膏甚至紙都可以用來制作母模。這種制模方法的主要缺點(diǎn)就是模具表面硬度較低(HV46 67)，因而模具壽命較短。對于高熔點(diǎn)、高硬度金屬電弧噴涂制模而言，因?yàn)閲娡坎牧系娜埸c(diǎn)高(1400 1500°C )，對母?；w的熱輸入大，母模表面溫升大，因此要求母模材料具有較高的耐熱性能和一定的高溫機(jī)械性能。金屬微粒達(dá)到母模表面的溫度很高，必須要采用耐高溫基體材料制作母模，同時(shí)母模還必須要具有較好的高溫強(qiáng)度和較低的線脹系數(shù)。包括普通石膏在內(nèi)的大多數(shù)中低熔點(diǎn)金屬噴涂用母模材料，都不能用于高熔點(diǎn)材料的噴涂，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。耐高溫陶瓷型母模的材料配方和快速制造工藝，是高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)的基礎(chǔ)和保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對中低熔點(diǎn)金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)存在的不足，提供一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝與裝備，它不僅制造速度快，復(fù)型精度高，而且具有成本低，流動(dòng)性好，耐高溫，易加工，噴涂材料與母模結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝，具體制備步驟為步驟1，用層疊堆積的方法制造樹脂母模；步驟2，硅膠澆注將樹脂母模置于型框內(nèi)，并用澆道棒支撐在樹脂母模與型框底板之間，然后澆注硅膠或ABS料，在室溫下固化8-1 或在固化箱內(nèi)保持120-150 °C固化 2-6h ；步驟3，制作分型面取出樹脂母模拆除型框，根據(jù)樹脂母模的形狀特點(diǎn)，制作分型面，然后沿著分型面對硅膠分型，取出所述樹脂母模和澆道棒；步驟4，澆注陶瓷漿料將取出母模后的硅膠沿分型面合模，然后翻轉(zhuǎn)180°，將配制好的耐高溫陶瓷漿料沿著澆道棒留下的右側(cè)孔澆入，澆道棒留下的左側(cè)孔則作為冒口， 待其充型后，室溫下固化20-2 后，開模取出復(fù)型后的耐高溫陶瓷母模。所述步驟1中，樹脂母模材料采用液態(tài)光敏樹脂，使其在激光束的照射下快速固化，通過層疊堆積制造母模首先建立母模的三維CAD模型，再把三維模型離散分層；然后， 在計(jì)算機(jī)程序的控制下，利用激光掃描的方式在工作臺(tái)上逐層光固化成型每一個(gè)層面的截面形狀，每固化一層，工作臺(tái)下移一個(gè)層片距離，以此類推；采用這種方式，直至整個(gè)母模成型完成，母模成型完成后，關(guān)閉激光器，將工作臺(tái)移出液面，從工作臺(tái)上將母模取下，再經(jīng)過后處理和多次固化，進(jìn)一步提高母模的形狀精度和結(jié)合強(qiáng)度。所述步驟4中，所述耐高溫陶瓷漿料為水解液和陶瓷混合料攪拌制作而成，其中水解液與陶瓷混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50-60% ；水解液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65-75%的硅酸乙酯、 8-12%的無水乙醇、0. 5-1 %的鹽酸、0. 5-1 %的醋酸、0. 5-1 %的甘油，其余為水配制而成； 陶瓷混合料為陶瓷和金屬粉按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為70-80%混合而成，陶瓷采用粒徑為20-65 μ m 的莫來石、Al2O3或者SiC，金屬粉采用粒徑為50-80 μ m、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0. 25%的鐵碳合
^^ ο一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，它包括機(jī)臺(tái)，機(jī)臺(tái)設(shè)有樹脂箱，在樹脂箱內(nèi)設(shè)有承載樹脂母模原型的工作臺(tái)，工作臺(tái)與升降裝置連接，在樹脂箱頂部設(shè)有刮平裝置，激光器設(shè)置在與樹脂母模原型相應(yīng)的位置；升降裝置、刮平裝置和激光器均與控制計(jì)算機(jī)連接。所述升降裝置包括絲杠，絲杠頂部設(shè)有電動(dòng)機(jī)，絲杠上安裝豎滑塊，豎滑塊底部設(shè)有定位裝置；豎滑塊安裝在立背的豎滑道以及兩立柱上；絲杠底部則與支撐裝置配合；兩立柱底部伸入樹脂箱內(nèi)并與工作臺(tái)連接；電動(dòng)機(jī)與控制計(jì)算機(jī)連接。所述刮平裝置包括刮平器，它在水平導(dǎo)軌上移動(dòng)，水平導(dǎo)軌設(shè)置在機(jī)臺(tái)上；刮平器兩端和皮帶用螺栓相連，從而實(shí)現(xiàn)刮平器和皮帶運(yùn)動(dòng)的同步，在皮帶和刮平器相連處放置行程塊，皮帶與帶輪連接，帶輪與帶傳動(dòng)電機(jī)連接，帶傳動(dòng)電機(jī)與控制計(jì)算機(jī)連接。所述工作臺(tái)為帶有很多圓形小孔的薄鋼板，工作臺(tái)下部的角鐵和工作臺(tái)長度相當(dāng)，通過多個(gè)螺釘將角鐵和工作臺(tái)固聯(lián)，同時(shí)角鐵還與立柱連接。所述滾珠絲杠下端支撐裝置包括一對滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承上部是軸承套，下部是軸承端蓋，絲杠置于滾動(dòng)軸承之間。所述定位裝置包括螺母，螺母和豎滑塊用螺栓聯(lián)接。采用上述技術(shù)方案的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，在計(jì)算機(jī)程序的控制下，利用激光照射混合均勻的液態(tài)樹脂，每固化一層，工作臺(tái)下移一個(gè)層片距離，以此類推，采用這種方式，直至整個(gè)母模成型完成。高熔點(diǎn)金屬模具型殼快速制造技術(shù)是一種“復(fù)制”的制模技術(shù)，它以耐高溫陶瓷型母模作為基體，以電弧為熱源，通過高速氣流將熔融狀態(tài)的金屬材料霧化，將噴涂粒子噴射、沉積在基體表面上，形成一定厚度的致密金屬涂層，即模具型殼。型殼精確拷貝了原型的形狀，獲得了所需的模具型腔。本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有的石膏型等低熔點(diǎn)母模相比，為了增加石膏漿體的流動(dòng)性，B型石膏水固比達(dá)60% 80%，α型石膏水固比為35% 45%，對于大型汽車覆蓋件模具而言，石膏毛坯濕重達(dá)數(shù)噸，含水量達(dá)數(shù)百公斤，其干燥速度和成本將直接影響噴涂模具的制作周期和成本。使用本發(fā)明制作的母模具有以下優(yōu)點(diǎn)不僅制造速度快，周期短，成本低，而且具有復(fù)型精度高，流動(dòng)性好，耐高溫，易加工，噴涂材料與母模結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)。采用本發(fā)明方案制作的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模涂層結(jié)合強(qiáng)度高，表面粗糙度Ra值小于3. 2 μ m,復(fù)型精度高于IT7，加工性能好，在溫度高于1650°C依然具有非常好的機(jī)械性能，成本比石膏型母模至少節(jié)省25%以上，周期降低到1/3 1/5。從表1-3明顯可以看出，與低熔點(diǎn)的石膏型母模相比，耐高溫的陶瓷型母模的結(jié)合強(qiáng)度、耐高溫性能、復(fù)型精度均具有明顯的優(yōu)勢。表Ia型石膏和陶瓷型母模結(jié)合強(qiáng)度對比
權(quán)利要求
1.一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝，其特征是，具體制備步驟為步驟1，用層疊堆積的方法制造母模；步驟2，硅膠澆注將母模置于型框內(nèi)，并用澆道棒支撐在母模與型框底板之間，然后澆注硅膠或ABS料，在室溫下固化8-15h或在固化箱內(nèi)保持120-150°C固化2- ；步驟3，制作分型面取出母模拆除型框，根據(jù)母模的形狀特點(diǎn)，制作分型面，然后沿著分型面對硅膠分型，取出所述母模和澆道棒；步驟4，澆注陶瓷漿料將取出母模后的硅膠沿分型面合模，然后翻轉(zhuǎn)180°，將配制好的耐高溫陶瓷漿料沿著澆道棒留下的右側(cè)孔澆入，澆道棒留下的左側(cè)孔則作為冒口，待其充型后，室溫下固化20-2 后，開模取出復(fù)型后的耐高溫陶瓷母模。
2.如權(quán)利要求1所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝，其特征是， 所述步驟1中，母模材料采用液態(tài)光敏樹脂，使其在激光束的照射下快速固化，通過層疊堆積制造母模首先建立母模的三維CAD模型，再把三維模型離散分層；然后，在計(jì)算機(jī)程序的控制下，利用激光掃描的方式在工作臺(tái)上逐層光固化成型每一個(gè)層面的截面形狀，每固化一層，工作臺(tái)下移一個(gè)層片距離，以此類推；采用這種方式，直至整個(gè)母模成型完成，母模成型完成后，關(guān)閉激光器，將工作臺(tái)移出液面，從工作臺(tái)上將母模取下，再經(jīng)過后處理和多次固化，進(jìn)一步提高母模的形狀精度和結(jié)合強(qiáng)度。
3.如權(quán)利要求1所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝，其特征是， 所述耐高溫陶瓷漿料為水解液和陶瓷混合料攪拌制作而成，其中水解液與陶瓷混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50-60% ；水解液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65-75%的硅酸乙酯、8-12%的無水乙醇、0. 5-1% 的鹽酸、0. 5-1 %的醋酸、0. 5-1 %的甘油，其余為水配制而成；陶瓷混合料為陶瓷和金屬粉按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為70-80%混合而成，陶瓷采用粒徑為20-65 μ m的莫來石、Al2O3或者SiC，金屬粉采用粒徑為50-80 μ m、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0. 25%的鐵碳合金。
4.一種權(quán)利要求1所述高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，其特征是，它包括機(jī)臺(tái)，機(jī)臺(tái)設(shè)有樹脂箱，在樹脂箱內(nèi)設(shè)有承載樹脂母模原型的工作臺(tái)，工作臺(tái)與升降裝置連接，在樹脂箱頂部設(shè)有刮平裝置，激光器設(shè)置在與樹脂母模原型相應(yīng)的位置； 升降裝置、刮平裝置和激光器均與控制計(jì)算機(jī)連接。
5.如權(quán)利要求1所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，其特征是，所述升降裝置包括絲杠，絲杠頂部設(shè)有電動(dòng)機(jī)，絲杠上安裝豎滑塊，豎滑塊底部設(shè)有定位裝置；豎滑塊安裝在立背的豎滑道以及兩立柱上；絲杠底部則與支撐裝置配合；兩立柱底部伸入樹脂箱內(nèi)并與工作臺(tái)連接；電動(dòng)機(jī)與控制計(jì)算機(jī)連接。
6.如權(quán)利要求4所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，其特征是，所述刮平裝置包括刮平器，它在水平導(dǎo)軌上移動(dòng)，水平導(dǎo)軌設(shè)置在機(jī)臺(tái)上；刮平器兩端和皮帶用螺栓相連，從而實(shí)現(xiàn)刮平器和皮帶運(yùn)動(dòng)的同步，在皮帶和刮平器相連處放置行程塊，皮帶與帶輪連接，帶輪與帶傳動(dòng)電機(jī)連接，帶傳動(dòng)電機(jī)與控制計(jì)算機(jī)連接。
7.如權(quán)利要求4所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，其特征是，所述工作臺(tái)為帶有很多圓形小孔的薄鋼板，工作臺(tái)下部的角鐵和工作臺(tái)長度相當(dāng)，通過多個(gè)螺釘將角鐵和工作臺(tái)固聯(lián)，同時(shí)角鐵還與立柱連接。
8.如權(quán)利要求4所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，其特征是，所述滾珠絲杠下端支撐裝置包括一對滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承上部是軸承套，下部是軸承端蓋，絲杠置于滾動(dòng)軸承之間。
9.如權(quán)利要求5所述的高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝用裝備，其特征是，所述定位裝置包括螺母，螺母和豎滑塊用螺栓聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高熔點(diǎn)金屬電弧噴涂陶瓷型母模的快速制造工藝與裝備，具體制備步驟為步驟1，用層疊堆積的方法制造母模；步驟2，硅膠澆注將母模置于型框內(nèi)，并用澆道棒支撐在母模與型框底板之間，然后澆注硅膠或ABS料，在室溫下固化8-15h或在固化箱內(nèi)保持120-150℃固化2-6h；步驟3，制作分型面取出母模拆除型框，根據(jù)母模的形狀特點(diǎn)，制作分型面，然后沿著分型面對硅膠分型，取出所述母模和澆道棒；步驟4，澆注陶瓷漿料將取出母模后的硅膠沿分型面合模，然后翻轉(zhuǎn)180°，將配制好的耐高溫陶瓷漿料沿著澆道棒留下的右側(cè)孔澆入，澆道棒留下的左側(cè)孔則作為冒口，待其充型后，室溫下固化20-26h后，開模取出復(fù)型后的耐高溫陶瓷母模。
文檔編號(hào)B28B1/14GK102407562SQ20111039434
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者亓靈云, 李長河, 韓振魯, 魏玉平 申請人:青島理工大學(xué)